KR100523538B1 - 유기 전계발광소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광색상에 따라 각각 다른 두께의 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 풀칼라 발광시 발광효율을 최대화할 수 있고, 소비 전력 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

유기 전계발광소자 및 그의 제조 방법{Organic electroluminescence device and fabricating method thereof}

본 발명은 유기 전계발광소자(organic electroluminescence device : OELD, 이하, "유기 EL 소자"라 칭함) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광색상에 따라 각각 다른 두께의 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 표시장치(디스플레이)의 대형화에 따라 공간 점유가 적은 평면표시소자의 요구가 증대되고 있다. 이러한 문제를 해결할 가능성이 있는 디스플레이로서 최근 유기 발광 재료를 사용한 유기 EL 소자가 많은 주목을 받고 있다.

유기 EL 소자는 저전압구동, 자기발광, 높은 발광 효율, 경량박형, 넓은 시야각 및 빠른 응답속도 등의 장점을 가지고 있고, 발광물질을 선택하여 풀 칼라 발광이 가능하여 차세대 평판 디스플레이 기술 중의 하나로서 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.

유기 전계 발광은 유기물(저분자 또는 고분자) 박막에 음극과 양극을 통하여 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 재결합(recombination)하여 여기자 (exition)를 형성하고, 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생되는 현상이다.

이러한 현상을 이용한 유기 EL 소자는 도 1에 도시된 바와 같은 기본적인 구조를 갖고 있다. 도 1은 통상의 유기 EL 소자를 나타내는 개략도이다.

유기 EL 소자의 기본적인 구성은, 도 1과 같이, 투명기판(1)과, 상기 투명기판(1) 상부에 스트라이프 형태로 일렬로 배열된 양극 전극(2)과, 상기 양극 전극(2) 상에 적층되어 형성된 유기 전계발광층(3) 및 상기 유기 전계발광층(3) 상에서 양극 전극과 교차하고 띠 모양으로 형성된 음극 전극(4)인 금속 전극이 순차적으로 적층된 구조이다.

정공의 주입효율을 향상시키기 위해서는 양극 전극의 저 저항화, 양극 전극/유기 전계발광층 접합계면의 일함수 값의 적절한 균형 및 표면 균일도가 중요하며, 양극 전극의 효율적인 형성이 유기 EL 소자의 발광특성에 커다란 영향을 미치고 있다.

일반적인 양극 전극의 형성 방법을 살펴보면 도 2와 같이, 우선 인듐 주석 산화물 (Indium Tin Oxide: ITO, 이하, "ITO"라 칭함)을 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 유리기판(10)상에 ITO층 (12)을 형성한다. 그 후, 상기 ITO층(12)에 포토레지스트(이하, "PR"이라 함)을 롤 코터 또는 스핀 코터 등을 사용하여 ITO층(12) 전면에 균일하게 도포한다. 상기 PR 코팅면(14) 위에 원하는 패턴이 형성된 포토마스크(16)를 통하여 UV 광을 선택적으로 투과시키어 노광시키고, PR 막에 UV의 선택적인 노광을 거치면서 감광된 부분의 PR이 분자 결합구조를 변화시키게 되고, 이에 따라 알칼리 성분 수용액인 현상액에 용해된다(양성(positive) PR의 경우). 그 다음에, 유리 기판의 전면에 형성된 ITO층을 현상과정에서 형성된 PR층의 패턴(14a)을 통해 선택적으로 제거해내는 에칭(etching) 공정을 진행한다. ITO층이 에칭되고 나면, 패턴화된 ITO층(12a)위에 남아 있는 PR(14a)을 제거하여 양극 전극을 최종적으로 형성한다.

현재 풀칼라 소자 제작시에 사용되는 ITO층은 발광하는 색상에 상관없이 동일한 두께를 사용하고 있고, 상기와 같은 사진식각법(photolithography) 공정을 통해 패턴화하고 있다. 그러나, 실제로 소자를 제작하여 발광시켰을 때 나온 빛은 빛의 간섭 현상에 따라 상쇄 또는 보강 간섭이 일어나게 되고 그로 인해 유리 기판을 통해 나온 빛의 효율이 ITO층의 두께에 의존하여 변하게 된다. 이러한 경우 발광하는 빛의 파장대에 따라 빛의 효율이 최대화 되는 ITO층의 두께 값이 달라, 같은 두께의 ITO 양극을 사용할 경우 고효율의 풀칼라 소자 제작이 힘들 뿐만 아니라, ITO의 코팅후 패턴화를 위해 사진식각법 공정이 필요하여 이때 사용하는 다양한 화학물질로 인해 ITO층이 형성된 기판이 오염의 원인이 된다.

이에 본 발명자는 상기 문제점을 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 색상별 효율이 극대화 되는 ITO층의 두께를 찾고 이를 이용하여 유기 EL 소자를 제조하여 상기 선행 기술의 문제점을 완전히 해결하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 상기의 종래 유기 EL 소자의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 풀칼라 발광 효율을 최대화할 수 있는 유기 EL 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스트라이프 형태로 패턴화된 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자에 있어서, 발광 색상별로 각각 다른 두께의 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자를 제공한다.

상기 양극 전극의 두께는 청색을 발광하는 위치의 양극 전극은 500∼1,500Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치의 양극 전극은 1,000∼2,000Å의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 청색을 발광하는 위치의 양극 전극은 800∼1,200Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치의 양극 전극은 1,300∼1,700Å의 두께를 갖는 것이 특히 바람직하다.

본 발명은 또한 유기 전계발광소자의 양극 전극의 패턴 형성에 있어서, 양극 전극 물질, 예컨대, ITO를 마스크를 이용하여 발광 색상별로 각각 다른 시간 동안 스퍼터링하여 다른 두께로 형성하는 방법을 제공한다.

상기 방법은 유리 기판상의 적색 또는 녹색 화소가 위치하는 부위에 일련의 개구를 갖는 마스크를 놓고, 일정 시간 동안 양극 전극 물질을 스퍼터링하여 양극 전극을 증착하는 단계; 및 유리 기판상의 청색 화소가 위치하는 부위에 일련의 개구를 갖는 마스크를 놓고, 상기 시간 보다 더 짧은 시간동안 양극 전극 물질을 스퍼터링하여 양극 전극을 증착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

예컨대, 유리 기판상의 적색(R) 화소가 위치하는 부위에 일련의 개구를 갖는 마스크를 놓고, 일정 시간, 예컨대 50∼100초간 ITO를 스퍼터링하여 증착하고, 그후 상기 마스크를 녹색(G) 화소가 위치하는 부위에 놓고, 예컨대, 50∼100초간 ITO를 스퍼터링하여 증착하고, 그 다음에 상기 마스크를 청색(B) 화소가 위치하는 부위에 놓고, 예컨대, 25∼75초간 ITO를 스퍼터링하여 증착하면 다른 두께로 형성할 수 있다. 상기 ITO의 증착시간은 공정의 특징에 따라 변화할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 상기와 같이, ITO의 양극 전극 성막시 각 발광 색상별 픽셀(pixel)에 성막되는 ITO 층의 두께를 다르게 한 것을 특징으로 한다. 따라서 스퍼터링과 같은 박막 제작법으로 ITO 층을 성막하는 경우 마스크를 사용하여 발광 색상별로 각각 두께가 다른 ITO 박막을 제조할 수 있다. 증착 속도와 증착 시간을 조절하면 원하는 두께의 박막을 제조 할 수 있으며 마스크를 사용하므로 ITO층을 다시 패턴화 해야 할 필요도 없게 된다. 이러한 방법으로 ITO를 제조하면 각 색상별로 효율이 최대화되는 ITO 두께를 적용하여 소자를 제작할 수 있다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

적색(R), 녹색(G), 청색(B) 별로 픽셀의 크기가 같은 유기 EL 소자를 제작하는 경우, 먼저 유리 기판위에 적색(R)을 발광하는 픽셀의 위치에 일련의 개구(hole)가 있는 새도우 마스크(30)를 놓고, ITO를 스퍼터링하여 증착하여 적색의 발광효율을 최대화 할 수 있는 두께의 ITO 층(22a)을 유리 기판상에 제작한다. 각 픽셀의 크기가 같으므로 마스크의 개구가 녹색(G) 픽셀의 위치에 오도록 마스크를 옮겨 녹색의 발광효율을 최대화 할 수 있는 두께의 ITO 층(22b)을 동일한 방법으로 제작한다. 이 때의 ITO 박막 제작 방법은 마스크를 이용할 수 있는 박막 제조 방법이면 어떤 방법이든 가능하다. 또한 사용하는 마스크는 박막 제조시 사용하는 통상의 금속성 새도우 마스크를 사용하는 것이 바람직하다.

같은 방법으로 청색(B) 픽셀에도 적정한 두께의 ITO 층(22c)을 제작한다. ITO 층 제작 후 픽셀화(pixelation)을 위해 필요한 나머지 유기물 증착 및 패턴화 작업을 진행하여 본 발명의 유기 EL 소자를 제작한다.

이러한 방법으로 제작된 소자는 각 발광 색상 별로 그 효율을 최대화 할 수 있는 ITO층의 두께를 선정하여 제작하였으므로 간섭현상에 따라 ITO층의 두께에 의해 나타나는 각 픽셀의 효율 감소를 줄일 수 있다. 또한 ITO층의 두께 조절을 통해 효율을 최대화 할 수 있으므로 효율차이를 개선하기 위해 각 픽셀의 크기를 조절한다거나 하는 방법을 사용할 필요가 없게 된다. 다른 목적으로 픽셀의 크기를 각각 다르게 조절해야 하는 경우 마스크를 개별적으로 제작하면 픽셀의 크기를 조절할 수도 있다.

상기 ITO층의 두께는 청색을 발광하는 위치는 500∼1,500Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치는 1,000∼2,000Å의 두께에서 발광효율이 최대화로 구현할 수 있었다. 보다 바람직하게는 청색을 발광하는 위치는 800∼1,200Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치는 1,300∼1,700Å의 ITO층의 두께에서, 최적 발광효율을 구현할 수 있다. 상기 두께 범위를 초과하여 ITO 층을 형성할 경우, 발광효율이 저하되어 바람직하지 못하다.

본 발명에서 얻을 수 있는 또 다른 효과는 ITO기판의 오염도를 줄일 수 있다는 것이다. 실제 사진식각법 공정을 거친 ITO 층을 사용한 경우, 사진식각법에 사용된 PR의 잔여물에 의해 소자 제작 후 암점 혹은 휘점으로 나타나는 경우가 있으며 패턴화 및 에칭 등의 작업이 전 기판내에서 균일하게 일어나지 않으면 기판상에 얼룩으로 남아 제작된 소자의 발광 효율이 균일하지 않거나, 소자 자체의 효율을 떨어뜨리는 경우가 있다. 그러나 본 발명에서 사용한 방법으로 ITO 층을 제작하게 되면 사진식각법 공정을 줄일 수 있으므로 사진식각법 공정에 의해 나타나는 기판의 오염을 막을 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하지만, 이들에 의해 본 발명의 범위가 어떤 식으로든 제한되는 것은 아니다.

실시예

유리 기판위에 적색(R)을 발광하는 픽셀의 위치에 개구(hole)가 있는 금속성 새도우 마스크(30)를 위치시키고, ITO를 스퍼터링하여 75초간 증착하여 1,500Å의 ITO 층을 스트라이프 형태로 성막하였다. 그 후, 상기 마스크의 개구가 녹색(G) 픽셀의 위치에 오도록 마스크를 옮기고, 80초간 ITO를 증착하여 1,600Å 두께의 ITO 층을 상기 적색 픽셀의 형성을 위한 ITO층의 우측에 형성하였다. 같은 방법으로 청색(B) 픽셀 위치로 상기 마스크를 이동하여 43초간 ITO를 증착하여 900Å의 ITO 층을 형성하였다. 그 다음에, 적색, 녹색 및 청색의 유기 전계 발광층을 각각의 ITO 층 위에 형성하고, 음극 전극을 형성하여 본 발명의 유기 EL 소자를 제조하였다.

비교예

ITO 층이 일정하게 1,500Å의 두께로 형성된 유리 기판상에 포토레지스트(PR)를 전면에 균일하게 도포하고, 통상의 노광, 형상 공정을 거쳐 PR층을 패턴화한 후, ITO층을 에칭화하고, 패턴화된 ITO층위에 남아 있는 PR을 제거하여 패턴화된 ITO 층을 형성하였다. 그 다음에, 적색, 녹색 및 청색의 유기 전계 발광층을 상기 ITO 층 위에 형성하고, 음극 전극을 형성하여 유기 EL 소자를 제조하였다.

상기 실시예와 비교예의 유기 EL 소자의 발광특성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

표 1

	인가전압(V)	휘도(cd/㎡)	효율(lm/W)
실시예	7.5	5400	14
비교예	8.2	4500	5.3

상기 표 1과 같이, 실시예의 유기 EL 소자는 풀칼라 발광의 효율이 비교예에 비해 매우 우수함을 알 수 있었다. 또한 비교예의 유기 EL 소자는 암점이 소량 존재하여 기판상에 얼룩이 형성되어 소자의 발광 효율이 균일하지 않았으나, 실시예는 암점이 존재하지 않아 발광 효율이 우수하였다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 유기 전계발광소자는 풀칼라 발광시 발광효율을 최대화할 수 있고, 소비 전력 특성을 향상시킬 수 있으며, 종래의 사진식각법의 사용에 따른 ITO 층이 형성된 기판의 오염도를 줄일 수 있다.

도 1은 통상의 유기 전계발광소자를 나타내는 개략 단면도,

도 2는 종래의 ITO 층을 형성하는 방법을 나타낸 개략 단면도,

도 3은 본 발명의 ITO 층을 형성하는 방법을 나타낸 개략 단면도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1, 10, 20 : 투명기판 2, 12, 22 : ITO 층

3, 18, 24 : 유기 전계발광층 4 : 음극 전극

14 : 포토레지스트 16 : 포토마스크

30 : 새도우 마스크

Claims (5)

1. 스트라이프 형태로 패턴화된 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자에 있어서, 발광 색상별로 각각 다른 두께의 양극 전극을 갖는 유기 전계발광소자.
2. 제1항에 있어서, 청색을 발광하는 위치의 양극 전극은 500∼1,500Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치의 양극 전극은 1,000∼2,000Å의 두께를 갖는 유기 전계발광소자.
3. 유기 전계발광소자의 양극 전극의 패턴 형성에 있어서, 양극 전극 물질을 마스크를 이용하여 발광 색상별로 각각 다른 시간 동안 스퍼터링하여 다른 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 전계발광소자의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   유리 기판상의 적색 또는 녹색 화소가 위치하는 부위에 일련의 개구를 갖는 마스크를 놓고, 일정 시간 동안 양극 전극 물질을 스퍼터링하여 양극 전극을 증착하는 단계; 및

   유리 기판상의 청색 화소가 위치하는 부위에 일련의 개구를 갖는 마스크를 놓고, 상기 시간 보다 더 짧은 시간동안 양극 전극 물질을 스퍼터링하여 양극 전극을 증착하는 단계를 포함하는 유기 전계발광소자의 제조방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 청색을 발광하는 위치의 양극 전극은 500∼1,500Å, 녹색 또는 적색을 발광하는 위치의 양극 전극은 1,000∼2,000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 전계발광소자의 제조방법.